阅读说明：本技术 一种高温高可靠厚膜Al焊盘的制备方法 (Preparation method of high-temperature high-reliability thick-film Al bonding pad ) 是由 刘欣 钱满满 刘军 王鹏 胡宗亮 孙玉达 崔久鹏 丁长春 赵秋山 于 2020-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高温高可靠厚膜Al焊盘的制备方法,属于航天微电子封装技术领域,通过在厚膜金导带上原位生成Al焊盘,实现了Al-Al的键合方式,将其应用在200～250℃的高温电路产品上也具有长期的可靠性；通过选择性的在金导带上印刷烧结一层5～8um厚的Ni过渡层,以及溅射形成的钛钨复合层相互配合起到阻挡层的作用,实现隔绝金和铝之间的互扩散；然后在TiW层的表面用磁控溅射的方式沉积一层3～5um的Al金属层,为厚膜电路的内引线互连提供Al-Al的键合体系,可以消除Au-Al键合产生的金属间化合物和柯肯达尔效应带来的不利影响,在200～250℃的高温环境下长期工作,依然可以提供有效地引线键合强度和导通电阻,实现了高温高可靠的产品应用。(The invention discloses a preparation method of a high-temperature high-reliability thick-film Al bonding pad, which belongs to the technical field of space micro-electronic packaging, wherein an Al bonding pad is generated in situ on a thick-film gold conduction band, so that an Al-Al bonding mode is realized, and the high-temperature thick-film Al bonding pad has long-term reliability when applied to a high-temperature circuit product at the temperature of 200-250 ℃; selectively printing and sintering a 5-8 um thick Ni transition layer on a gold conduction band, and mutually matching a titanium-tungsten composite layer formed by sputtering to play a role of a barrier layer, so as to realize the isolation of mutual diffusion between gold and aluminum; and then depositing a 3-5 um Al metal layer on the surface of the TiW layer in a magnetron sputtering mode to provide an Al-Al bonding system for interconnection of inner leads of the thick film circuit, so that the adverse effects caused by intermetallic compounds generated by Au-Al bonding and the Kendall effect can be eliminated, the effective lead bonding strength and the on-resistance can still be provided after long-term operation in a high-temperature environment of 200-250 ℃, and high-temperature and high-reliability product application is realized.)

一种高温高可靠厚膜Al焊盘的制备方法

技术领域

本发明涉及航天微电子封装技术领域，尤其涉及一种高温高可靠厚膜Al焊盘的制备方法。

背景技术

现阶段，在集成电路的组装过程中，引线键合仍然是芯片焊盘与基板之间互连的主要方式，互连焊点承载着芯片内部电路与外部电路的功率与信号的运输，其质量和可靠性对器件的功能和寿命起着决定性的作用。厚膜混合集成电路一般使用Si-Al丝、Au丝来实现内部互连，在键合、高温存储、器件老化这些步骤中，键合处的高温、电场和水汽作用将会使铝—金键合处形成金属间化合物。

在Si-Al丝楔形焊接过程中，不可避免地出现了铝丝和金导带之间的铝—金键合系统，其长期的可靠性问题主要表现在集成电路的工作或存储过程中出现的金铝键合失效。由于铝丝和金焊盘是异种金属，其晶格常数和热膨胀系数不同，金铝之间扩散速率存在显著差异，经长期使用后，在一定温度和一定时间范围内、在金铝焊接界面处容易形成柯肯达尔(Kirkendall)空洞和形成AuAl、Au₅Al₂、Au₄Al、AuAl₂、Au₂Al等多种机械强度极差的金属间化合物，且随着温度和时间的增加，空洞和金属间化合物的形成将会加速，伴随金属间化合物的产生，键合接触电阻变大，降低接触区域的电学性能，导致器件参数漂移，甚至开路而失效，影响产品的长期可靠性。

发明内容

本发明提供一种高温高可靠厚膜Al焊盘的制备方法，通过直接原位制备Al焊盘的方法，形成了单一金属的键合体系，避免金铝之间化合物的形成，降低了形成柯肯达尔空洞的风险，彻底解决了铝丝键合金焊盘的长期可靠性问题。

本发明提供的具体技术方案如下：

本发明提供的一种高温高可靠厚膜Al焊盘的制备方法包括：

采用纯度大于96％的Al₂O₃陶瓷基板作为印制电路的基体，其中，Al₂O₃陶瓷基板的表面粗糙度不大于0.6um；

采用质量分数比为5:1:1的H₂O、HCl、H₂O₂制备的混合溶液对Al₂O₃陶瓷基板的表面进行酸洗，在酸洗的过程中将其加热至沸腾状态后放入Al₂O₃陶瓷基板，煮沸酸洗一个小时之后，采用去离子水进行超声清洗以便漂洗除去表面的酸，最后采用无水乙醇进行清洗之后烘干备用；

在清洗干净的Al₂O₃陶瓷基板表面采用丝网漏印的方式印制Au导体线路，印刷出电路图形后先用150℃的网带炉烘干，再采用850℃的高温度进行烧结固化成型处理；

在需要键合Si-Al的金导带处采用丝网模型漏印一层Ni金属阻挡层在相应的金导体上，并在氮气气氛炉中烧结烘干；

将印刷烧结完成的Al₂O₃陶瓷基片的金导体部分都覆盖一层菲林保护膜，只漏出要溅射的Ni焊盘，利用磁控溅射的方法，在Ni阻挡层的表面溅射一层Al，溅射完成后将Al₂O₃陶瓷基片在300～400℃的氮气氛围下合金化处理。

可选的，所述在需要键合Si-Al的金导带处采用丝网模型漏印一层Ni金属阻挡层在相应的金导体上，并在氮气炉中烧结烘干，具体为：

在需要键合Si-Al的金导带处采用丝网模型漏印一层Ni金属衬底层在相应的金导体上，并在氮气炉中烧结烘干；

采用磁控溅射的方式在Ni金属衬底层的表面溅射TiW阻挡层，并在550～750℃的温度和氮气氛围中进行合金化处理，以便增强TiW阻挡层的欧姆接触性能和复合强度。

可选的，所述Ni金属衬底层的厚度为1～3μm，所述TiW阻挡层的厚度为3～5μm。

可选的，采用850℃的高温度进行烧结固化成型处理过程中控制氮气炉内的氧气含量小于100ppm。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例提供的一种高温高可靠厚膜Al焊盘的制备方法，通过在厚膜金导带上原位生成Al焊盘，既实现了Al-Al的键合方式，将其应用在200～250℃的高温电路产品上也具有长期的可靠性；通过选择性的在金导带上印刷烧结一层5～8um厚的Ni过渡层，溅射形成的钛钨复合层相互配合起到阻挡层的作用，实现隔绝金和铝之间的互扩散；在TiW层的表面用磁控溅射的方式沉积一层3～5um的Al金属层，为厚膜电路的内引线互连提供Al-Al的键合体系，可以消除Au-Al键合产生的金属间化合物和柯肯达尔效应带来的不利影响，在200-250℃的高温环境下长期工作，依然可以提供有效地引线键合强度和导通电阻，实现了高温高可靠的产品应用；通过采用直接原位制备Al焊盘的方法，形成了单一金属的键合体系，避免金铝之间化合物的形成，降低了形成柯肯达尔空洞的风险，彻底解决了铝丝键合金焊盘的长期可靠性问题。

具体实施方式

下面将对本发明实施例的一种高温高可靠厚膜Al焊盘的制备方法进行详细的说明。

本发明实施例提供的一种高温高可靠厚膜Al焊盘的制备方法包括：

(1)采用纯度大于96％的Al₂O₃陶瓷基板作为印制电路的基体，其中，Al₂O₃陶瓷基板的表面粗糙度不大于0.6um。

(2)采用质量分数比为5:1:1的H₂O、HCl、H₂O₂制备的混合溶液对Al₂O₃陶瓷基板的表面进行酸洗，在酸洗的过程中将其加热至沸腾状态后放入Al₂O₃陶瓷基板，煮沸酸洗一个小时之后，采用去离子水进行超声清洗以便漂洗除去表面的酸，最后采用无水乙醇进行清洗之后烘干备用。

本发明实施例选用纯度大于96％的Al₂O₃陶瓷基板作为印制电路的基体，表面粗糙度≤0.6um，进而为了能让金导体牢靠的黏附在Al₂O₃陶瓷基片表面，Al₂O₃陶瓷基片使用前需要进行酸洗以改变其表面粗糙度提高金导体的黏附效果。具体的清洗过程中采用质量分数比为5:1:1的H₂O、HCl、H₂O₂制备的混合溶液对Al₂O₃陶瓷基板的表面进行酸洗，酸洗过程中加热到沸腾状态，再将陶瓷基片放入混合溶液中煮沸1h；然后用去离子水超声清洗，漂洗表面的酸，再用无水乙醇清洗，烘干备用。

(3)在清洗干净的Al₂O₃陶瓷基板表面采用丝网漏印的方式印制Au导体线路，印刷出电路图形后先用150℃的网带炉烘干，再采用850℃的高温度进行烧结固化成型处理。

(4)在需要键合Si-Al的金导带处采用丝网模型漏印一层Ni金属阻挡层在相应的金导体上，并在空气炉中烧结烘干。

在需要键合Si-Al的金导带处漏印一层Ni金属层，选用Ni浆料，通过制作的丝网模型印刷在相应的金导体上，在空气炉中烘干，烧结的时候选用氮气炉，防止Ni的氧化，控制氮气炉内氧气含量小于100ppm，用850℃的烧结温度，烧结形成Ni金属层，Ni层可以有效地阻止Au和Al之间的互扩散，烧结完成后要存放在氮气柜中。

进一步的，在需要键合Si-Al的金导带处采用丝网模型漏印一层Ni金属衬底层在相应的金导体上，并在氮气炉中烧结烘干；采用磁控溅射的方式在Ni金属衬底层的表面溅射TiW阻挡层，并在550～750℃的温度和氮气氛围中进行合金化处理，以便增强TiW阻挡层的欧姆接触性能和复合强度。

钛钨阻挡层和镍金属层经合金化处理之后形成钛钨合金复合层，在钛钨合金复合层的下表面焊接铝焊盘，可以阻挡了金铝原子之间的相互扩散，避免金铝之间化合物的形成，降低了形成柯肯达尔空洞的风险，彻底解决了铝丝键合金焊盘的长期可靠性问题。

优选的，Ni金属衬底层的厚度为1～3μm，TiW阻挡层的厚度为3～5μm。该厚度下的Ni金属衬底层和TiW阻挡层相互配合，经复合之后具备的阻挡效果更好，可以更有效地阻止Au和Al之间的互扩散。

(5)将印刷烧结完成的Al₂O₃陶瓷基片的金导体部分都覆盖一层菲林保护膜，只漏出要溅射的Ni焊盘，利用磁控溅射的方法，在Ni阻挡层的表面溅射一层Al，溅射完成后将Al₂O₃陶瓷基片在300～400℃的氮气氛围下合金化处理。

将印刷烧结完成的陶瓷基片上的金导体部分都覆盖一层菲林保护膜，只漏出要溅射的Ni焊盘，利用磁控溅射的方法，在Ni焊盘的表面溅射一层Al，溅射完成后将陶瓷基片在低温(300-400℃)氮气氛围下合金化处理，实现多层金属间的欧姆接触、提高金属层间的结合强度。示例的，磁控溅射的设备选用AMAT endura 5500，工艺参数设置为本底真空1.0*E-8Torr，靶基距为4730step，加热功率为80％，基片温度200℃，磁铁转速80r/min。

本发明实施例提供的一种高温高可靠厚膜Al焊盘的制备方法，通过在厚膜金导带上原位生成Al焊盘，实现了Al-Al的键合方式，将其应用在200～250℃的高温电路产品上也具有长期的可靠性；通过选择性的在金导带上印刷烧结一层5～8um厚的Ni过渡层，溅射形成的钛钨复合层相互配合起到阻挡层的作用，实现隔绝金和铝之间的互扩散；在TiW层的表面用磁控溅射的方式沉积一层3～5um的Al金属层，为厚膜电路的内引线互连提供Al-Al的键合体系，可以消除Au-Al键合产生的金属间化合物和柯肯达尔效应带来的不利影响，在200-250℃的高温环境下长期工作，依然可以提供有效地引线键合强度和导通电阻，实现了高温高可靠的产品应用；通过采用直接原位制备Al焊盘的方法，形成了单一金属的键合体系，避免金铝之间化合物的形成，降低了形成柯肯达尔空洞的风险，彻底解决了铝丝键合金焊盘的长期可靠性问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。